JP2005085399A - Memory cell, semiconductor memory device, and microcomputer having semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固定データを設定できるメモリセル、半導体メモリ装置、及び半導体メモリ装置を備えたマイクロコンピュータに関する。 The present invention relates to a memory cell capable of setting fixed data, a semiconductor memory device, and a microcomputer including the semiconductor memory device.
従来のランダムアクセスメモリ(RAM)、特にスタティックRAM(SRAM)では、電源投入時点において、メモリセルのデータ記憶内容は“1”か“0”かのいずれかには決まるものの、それがどのような値になるかはユーザの任意ではないという意味で不定となる。 In a conventional random access memory (RAM), in particular, a static RAM (SRAM), the data storage content of the memory cell is determined to be “1” or “0” at the time of power-on, but what is it? The value is undefined in the sense that it is not arbitrary by the user.
そこで、SRAMの使用に際して記憶データの初期設定を行う場合には、全てのSRAMセルに対して、例えば初期化プログラムにより所定のデータを書き込むという作業が必要であった。このため、従来のSRAM内蔵のシングルチップマイクロコンピュータでは、SRAMに記憶させるのはデータやアドレスに限られ、プログラムなどの固定データをSRAMに格納することはないなど、SRAMの用途が大きく制限されていた。 Therefore, when initializing the stored data when using the SRAM, it is necessary to write predetermined data to all SRAM cells, for example, using an initialization program. For this reason, in conventional single-chip microcomputers with a built-in SRAM, only the data and addresses can be stored in the SRAM, and fixed data such as programs are not stored in the SRAM. It was.
表1は、一般的なマイコンシステムのメモリマップである。チップセレクト信号CS0は、アドレス空間0000H〜1fffH番地が割り当てられたプログラムROMに格納したモニタプログラム領域を指定し、チップセレクト信号CS2は、アドレス空間2000H〜3fffH番地が割り当てられたユーザRAMに格納したユーザプログラム領域を指定し、チップセレクト信号CS6は、アドレス空間6000H〜60ffH番地が割り当てられたI/Oのレジスタ・データ領域と、アドレス空間6100H〜6105H番地が割り当てられたI/O領域を指定し、チップセレクト信号CS8は、アドレス空間8000H〜ffffH番地が割り当てられたデータRAMに格納したユーザデータ領域を指定する。 Table 1 is a memory map of a general microcomputer system. The chip select signal CS0 designates the monitor program area stored in the program ROM to which the address space 0000H to 1fffH is assigned, and the chip select signal CS2 is the user stored in the user RAM to which the address space 2000H to 3fffH is assigned. The program area is designated, and the chip select signal CS6 designates the I / O register / data area to which the address spaces 6000H to 60ffH are assigned and the I / O area to which the address spaces 6100H to 6105H are assigned, The chip select signal CS8 designates the user data area stored in the data RAM to which the address spaces 8000H to ffffH are assigned.
マイクロコンピュータでメモリの使用状態を示すメモリマップは、従来の技術では、マイクロコンピュータの動作中に変更されることはない。そのため、以下のような問題が従来から指摘されていた。 In the conventional technique, the memory map indicating the memory usage state in the microcomputer is not changed during the operation of the microcomputer. For this reason, the following problems have been pointed out.
すなわち、初期化プログラムのように、システム全体を初期化する時にしか動作しないプログラムや、出荷時にしか動作せず、実動作時には使用されないテストプログラムなどのプログラムデータも、読み出し専用のメモリ装置(ROM)上に格納され、それらは一定のアドレス空間を占有している。しかし、これらのプログラムは実動作時には不要であり、プログラムメモリ及びデータメモリに対してアクセス可能な中央処理装置(CPU)にとっては、無駄なアドレス空間を構成している。 That is, program data such as an initialization program that operates only when the entire system is initialized and a test program that operates only at the time of shipment and is not used during actual operation are also read-only memory devices (ROM). They are stored above and they occupy a certain address space. However, these programs are unnecessary during actual operation, and constitute a useless address space for a central processing unit (CPU) that can access the program memory and data memory.
以下に説明する特許文献1には、自己診断用の起動プログラムをRAMに初期設定させることにより、ROM容量の最大サイズまでメインプログラムを格納し得るマイクロコンピュータの発明が開示されている。
このマイクロコンピュータは、電源電圧印加直後の初期設定を初期値設定用プログラムの実行を介することなく自動的に行うことが可能なRAMセルを有するRAMと、このRAMと同一半導体基板上に形成され、このRAMの読み出し書き込み制御を行う中央演算処理装置とを具備するものである。 This microcomputer is formed on the same semiconductor substrate as a RAM having a RAM cell capable of automatically performing an initial setting immediately after application of a power supply voltage without executing an initial value setting program, And a central processing unit that performs read / write control of the RAM.
そして、このマイクロコンピュータにおいては、内蔵するSRAMの製造に際して、少なくとも起動プログラム領域に対応する各SRAMセルにおける2個のインバータの電源投入直後における記憶データが“1”あるいは“0”となるように、それらの動作特性を異ならせて製造することにより、起動プログラム領域に対応する各SRAMセルの電源投入直後における記憶データを所望通りに、自動的に初期設定できる。
上述した特許文献1では、各SRAMセルを構成する2個のインバータの動作特性を異ならせて、それらの立ち上がり時間の差によってデータを初期化しようとするものであるため、初期値設定の確実性、信頼性に乏しいという問題があった。
In
また、同一アドレス空間にROM、RAMをマッピングして、それらをアドレスデコーダで切り替えることで、アドレス空間の無駄を省くことも考えられているが、この方式では、SRAM、ROM領域を構成する各チップが余分に必要となるため、物理的にもチップ実装面積が大きくなるという問題があった。 In addition, it is considered that the ROM and RAM are mapped to the same address space, and switching them with an address decoder to eliminate waste of the address space. In this method, each chip constituting the SRAM and ROM areas is considered. However, there is a problem that the chip mounting area is physically increased.
この発明の目的は、セルデータを確実に初期化できるメモリセルを提供することにある。
また、この発明の別の目的は、プログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用できる半導体メモリ装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a memory cell that can reliably initialize cell data.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can be dynamically switched and used as a program memory and data memory.
さらに、この発明の別の目的は、ROMなどのチップ実装面積やアドレス空間の無駄を省いたマイクロコンピュータを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a microcomputer that eliminates waste of chip mounting area such as ROM and address space.
この発明のメモリセルは、第1のインバータの入力と第2のインバータの出力とを接続するとともに、前記第1のインバータの出力と前記第2のインバータの入力とを接続して構成するデータラッチ回路と、ソースあるいはドレインのいずれか一方を前記第1のインバータの出力側に接続するとともに、他方を第1のビット線に接続し、かつゲートをワード線に接続することにより、データの読み出し書き込みを制御する第1のトランスファゲートと、ソースあるいはドレインのいずれか一方を前記第2のインバータの出力側に接続するとともに、他方を第2のビット線に接続し、かつゲートを前記ワード線に接続することにより、データの読み出し書き込みを制御する第2のトランスファゲートと、前記第1あるいは第2のインバータのいずれか一方の出力側と接地電位との間に配置され、リセット信号により導通制御される初期値設定用のスイッチ素子と、を備える。 The memory cell according to the present invention connects the input of the first inverter and the output of the second inverter, and connects the output of the first inverter and the input of the second inverter. The circuit and either the source or drain are connected to the output side of the first inverter, the other is connected to the first bit line, and the gate is connected to the word line, thereby reading and writing data. A first transfer gate for controlling the power source, one of a source and a drain connected to the output side of the second inverter, the other connected to a second bit line, and a gate connected to the word line By doing so, the second transfer gate for controlling the reading and writing of data and the first or second inverter are connected. Re or disposed between one of the output side and the ground potential, and a switch element of the initial value for the setting is conducted controlled by a reset signal.
また、この発明の半導体メモリ装置は、前述のメモリセルを、複数のワード線と複数の第1、第2のビット線との交点にそれぞれ行列状に配置したメモリセルアレイと、前記第1、第2のビット線を制御してデータの読み出し書き込みを行う読み出し書き込み回路と、を備え、前記スイッチ素子にリセット信号を供給して、それぞれ導通することにより、前記メモリセルのデータラッチ回路から固定データを読み出すようにした。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device including: a memory cell array in which the above-described memory cells are arranged in rows and columns at intersections of a plurality of word lines and a plurality of first and second bit lines; And a read / write circuit for reading and writing data by controlling the bit line of 2 and supplying a reset signal to the switch element to turn on the fixed data from the data latch circuit of the memory cell. Read out.
さらに、この発明のマイクロコンピュータは、プログラムメモリ及びデータメモリにアクセス可能な中央処理装置と、前記プログラムメモリとして機能する読み出し専用のメモリ装置と、前記データメモリとして機能する前述の半導体メモリ装置を一部に含む、読み出し書き込み可能な半導体メモリ装置と、を備え、前記中央処理装置のプログラムの一部が前記半導体メモリ装置の固定データとして格納され、前記半導体メモリ装置をプログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用する。 Further, the microcomputer of the present invention includes a central processing unit that can access a program memory and a data memory, a read-only memory device that functions as the program memory, and a part of the semiconductor memory device that functions as the data memory. A part of the program of the central processing unit is stored as fixed data of the semiconductor memory device, and the semiconductor memory device is dynamically used as a program memory and a data memory. Switch to use.
この発明の効果として、電源電圧印加直後に初期値設定用プログラムの実行を介することなく、確実に初期値設定が行え、信頼性が高いメモリセルが提供できる。
また、初期値設定用のスイッチ素子をオンオフするだけで、一部のメモリセルをプログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用できる半導体メモリ装置が提供できる。
As an effect of the present invention, it is possible to reliably set an initial value immediately without applying an initial value setting program immediately after application of a power supply voltage, and to provide a highly reliable memory cell.
Further, it is possible to provide a semiconductor memory device in which a part of memory cells can be dynamically switched and used as a program memory and a data memory only by turning on and off the switch element for initial value setting.
さらに、半導体メモリ装置をプログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用することにより、ROMなどのチップ実装面積やアドレス空間の無駄を省いたマイクロコンピュータを提供できる。 Furthermore, by dynamically switching and using the semiconductor memory device as a program memory / data memory, a microcomputer can be provided that eliminates waste of chip mounting area such as ROM and address space.
SRAMなどのメモリセルを構成する回路技術、及びSRAMを用いたマイコンシステムの回路技術として適用できる。 The present invention can be applied as a circuit technology for configuring a memory cell such as an SRAM or a microcomputer system using an SRAM.
実施例1では、電源投入時の初期値として初期化プログラムやテストプログラムのデータを持つSRAMをプログラムメモリ兼データメモリとして使用可能なメモリセルについて説明する。 In the first embodiment, a memory cell that can use an SRAM having data of an initialization program and a test program as an initial value at power-on as a program memory and data memory will be described.
図1は、初期値設定型のSRAM回路を示す図であり、図2は、図1の単位メモリセルの構成を示す回路図である。
以下では、とくに断わらないかぎり信号レベルLを“0”、信号レベルHを“1”として説明する。
FIG. 1 is a diagram showing an initial value setting type SRAM circuit, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a unit memory cell of FIG.
In the following description, the signal level L is “0” and the signal level H is “1” unless otherwise specified.
図2において、1単位のメモリセル100は、記憶データを保持する第1のインバータ回路101、及び第2のインバータ回路102の入力と出力とが相互に接続されたデータラッチ回路から構成されている。また、第1のインバータ回路101の入力と、第2のインバータ回路102の出力との接続点は、ワード線103に与えられるアドレス信号で導通制御されるトランスファゲート104を介して正転側のビット線105に接続され、第1のインバータ回路101の出力と、第2のインバータ回路102の入力との接続点は、同じくワード線103に与えられるアドレス信号で導通制御されるトランスファゲート106を介して反転側のビット線107に接続されている。
In FIG. 2, a unit of
このようなメモリセル100は行列状に配置され、例えば図1に示すように8行、4列のメモリセルアレイを構成する。このメモリセルアレイのメモリセル100には、3ビットのアドレス信号ad[2:0]が供給されるアドレスデコーダ108が接続され、それぞれアドレス信号ad[2:0]により特定された書き込みサイクルにおいて、そのアドレス(000〜111)に対応したメモリセル100に、読み出し書き込み回路109から正転側のビット線105ならびに反転側のビット線107を介して記憶データとしてdata3〜data0が書き込まれる。
読み出し書き込み回路109にはタイミング制御信号が供給されており、読み出しサイクルでは、それぞれのメモリセル100に記憶された記憶データが、ワード線103からのアドレス信号で導通制御されるトランスファゲートを介してビット線105,107に読み出され、読み出し書き込み回路109から出力データdat[3]〜dat[0]の4ビット信号として出力される。
A timing control signal is supplied to the read / write
図2には、メモリセル100のうち、例えばアドレス(000)のビット0のように、正転側のビット線105側に初期値設定用のスイッチ素子として、NMOSトランジスタ110のソースが接続されているものを示している。このNMOSトランジスタ110のゲートはリセット端子111と接続され、ドレインは接地されている。
In FIG. 2, the source of the
図2のメモリセル100は、初期値設定時にリセット端子111にH信号が供給されることにより、このメモリセル100の初期値データとなるセルデータを確実に“0”に設定できる。ここでは、データラッチ回路の右側のビット線105(datax)が正極性、左側のビット線107(datax_)が負極性であって、メモリセル100の右側に初期値設定用のNMOSトランジスタ110がある場合は初期値データが“0”となるが、例えばアドレス(001)のビット0のように、初期値設定用のNMOSトランジスタが左側にある場合には、初期値データは“1”に設定される。なお、これらの初期値設定用のスイッチ素子としてPMOSトランジスタを使った場合には、設定されるデータの極性は逆になる。
In the
初期化プログラムやテストプログラムなどのモニタプログラムが実行されるときには、図1の初期値設定型のSRAM(以下では、初期値付きSRAMともいう。)はプログラムメモリとして動作し、それ以外の実動作プログラムが実行されるときは、データメモリとして動作する。これにより、半導体メモリ装置のアドレス空間を節約することができ、物理的なメモリを増やさないで、実動作時に使用できるSRAMのメモリ容量を増やすことが可能となる。 When a monitor program such as an initialization program or a test program is executed, the initial value setting type SRAM of FIG. 1 (hereinafter also referred to as SRAM with an initial value) operates as a program memory, and other actual operation programs. When is executed, it operates as a data memory. As a result, the address space of the semiconductor memory device can be saved, and the memory capacity of the SRAM that can be used during actual operation can be increased without increasing the physical memory.
以下に、図1に示す具体的な回路構成について説明する。
アドレスが(000)の時は、ビット3〜ビット0のメモリセルでは初期値設定用のNMOSトランジスタ110は全て右側に接続されている。よって、すべてのビット3〜0の初期値は0である。アドレスが(001)の場合は、ビット0のみ初期値設定用のNMOSトランジスタ110が左側に接続されている。よって、ビット0のみ初期値は“1”であり、その他は“0”である。図1のSRAM回路では、同様にして、3桁の各アドレス(2進数)における4ビットの初期値データ(2進数)との対応は、以下の表2のようになる。
The specific circuit configuration shown in FIG. 1 will be described below.
When the address is (000), the initial value setting
初期値設定用のNMOSトランジスタ110は、いずれもゲートが共通にリセット端子111と接続されていて、この初期値付きSRAMにリセットがかかると初期値設定用のトランジスタがオンして、所定の初期値が設定されることになる。しかし、リセット信号が解除されれば初期値設定用トランジスタはオフとなるから、一般のSRAMと同様に動作することができる。したがって、図1に示す初期値付きSRAMのような半導体メモリ装置では、確実にプログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用できる。
The
初期値付きSRAMをリセットするには、リセット信号をリセット端子111に入力する以外にも、例えば16ビットのアドレスの上位8ビットがオールゼロとなったときリセットする方法、または初期値付きSRAMにチップセレクト端子を2つ設けて、一方の端子には、プログラム領域からの固定データの出力指令を入力するなどの方法で実現することが可能である。 In order to reset the SRAM with initial value, in addition to inputting a reset signal to the reset terminal 111, for example, a method of resetting when the upper 8 bits of the 16-bit address become all zeros, or a chip select to the SRAM with initial value Two terminals can be provided, and one terminal can be realized by inputting a fixed data output command from the program area.
図3は、初期値付きSRAMを用いたマイクロコンピュータの回路構成を示すブロック図であって、図4には図3のマイクロコンピュータのメモリマップ図を示す。また、図5には、従来の技術を用いて図4と同様のメモリ機能を実現するために必要なメモリマップを示す。 FIG. 3 is a block diagram showing a circuit configuration of a microcomputer using an SRAM with an initial value. FIG. 4 shows a memory map of the microcomputer shown in FIG. FIG. 5 shows a memory map necessary for realizing the same memory function as in FIG. 4 using the conventional technique.
図3のマイクロコンピュータは、初期値付きSRAM31、SRAM32、ROM33、CPU34、及びアドレスデコーダ35から構成され、初期値付きSRAM31、SRAM32、ROM33は、アドレスバス36、データバス37、及び読み出し信号(OE;Out Enable)、書き込み信号(WE;Write Enable)などのタイミング信号線は共通である。アドレスデコーダ35は、それぞれ初期値付きSRAM31、SRAM32、ROM33に対してチップセレクト信号CS0,CS1,CS2を出力している。
The microcomputer shown in FIG. 3 includes an
なお、初期値付きSRAM31の回路構成のみを変更すれば、相互にセンスアンプ、デコーダ、及び制御回路の共用が可能であって、図3のアドレスデコーダ35も不要にすることが可能である。
If only the circuit configuration of the
図4に示すように、初期化プログラムやテストプログラムなどは初期値付きSRAM31のアドレス0000H〜007fHに格納しておき、それ以外の実動作プログラムはROM33の0080H〜0fffHのアドレスに格納してある。電源投入直後にリセット信号がオンすると、初期値付きSRAM31に初期化プログラムやテストプログラムがロードされ、CPU34では必要に応じてこれらが実行される。この時、初期値付きSRAM31はプログラムメモリとして動作する。
As shown in FIG. 4, an initialization program, a test program, and the like are stored at addresses 0000H to 007fH of the
その後、初期化プログラムやテストプログラムが終了した場合、あるいは最初から動作する必要がない場合には、分岐命令で0080H〜0fffHのアドレス(ROM領域)にジャンプして実動作プログラムが実行される。この段階では、CPU34はアドレス0000H〜007fHにアクセスする必要がないから、初期値付きSRAM31を汎用のSRAMとして動作させることが可能になる。したがって、図3、図4の例ではアドレス1000H〜107fHにアクセスすることにより、CPU34は初期値付きSRAM31をデータメモリ領域のSRAM32と同様に使用できる。
Thereafter, when the initialization program or the test program is completed or when it is not necessary to start from the beginning, the actual operation program is executed by jumping to an address (ROM area) from 0080H to 0fffH by a branch instruction. At this stage, since the
これに対して、初期値付きSRAM31を用いないで、初期化プログラムやテストプログラムを一般的なSRAMだけを用いて実現しようとした場合には、図5に示すようにROM33にアドレス0000Hから0fffHまでのアドレス空間を構成し、アドレス1000Hから10ffHまでをSRAM32で構成しなければならない。
On the other hand, when the initialization program and the test program are to be realized using only a general SRAM without using the
すなわち、図4に示すようなメモリマップ上でアドレス空間を構成する場合と、図5の場合とを比較すると、前者ではROMのアドレスが0f80H、SRAMのアドレスが00ffHで済むところ、図5に示す従来技術の場合には、ROMが0fffH、SRAMが00ffHだけ必要になる。したがって、この発明のマイクロコンピュータでは、使用するSRAMのメモリ容量が少なくなって、チップ実装面積の点でも有利である。 That is, comparing the case where the address space is configured on the memory map as shown in FIG. 4 and the case of FIG. 5, comparing the case of FIG. 5 with the ROM address of 0f80H and the SRAM address of 00ffH, FIG. In the case of the prior art, only 0 fffH of ROM and 00ffH of SRAM are required. Therefore, the microcomputer of the present invention is advantageous in terms of chip mounting area because the memory capacity of the SRAM to be used is reduced.
100 メモリセル
101,102 インバータ回路
103 ワード線
104,106 トランスファゲート
105,107 ビット線
108 アドレスデコーダ
109 読み出し書き込み回路
110 NMOSトランジスタ
111 リセット端子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ソースあるいはドレインのいずれか一方を前記第1のインバータの出力側に接続するとともに、他方を第1のビット線に接続し、かつゲートをワード線に接続することにより、データの読み出し書き込みを制御する第1のトランスファゲートと、
ソースあるいはドレインのいずれか一方を前記第2のインバータの出力側に接続するとともに、他方を第2のビット線に接続し、かつゲートを前記ワード線に接続することにより、データの読み出し書き込みを制御する第2のトランスファゲートと、
前記第1あるいは第2のインバータのいずれか一方の出力側と接地電位との間に配置され、リセット信号により導通制御される初期値設定用のスイッチ素子と、
を備えたことを特徴とするメモリセル。 A data latch circuit configured to connect the input of the first inverter and the output of the second inverter and connect the output of the first inverter and the input of the second inverter;
Either the source or the drain is connected to the output side of the first inverter, the other is connected to the first bit line, and the gate is connected to the word line, thereby controlling the reading and writing of data. A first transfer gate;
Control the reading and writing of data by connecting either the source or drain to the output side of the second inverter, connecting the other to the second bit line, and connecting the gate to the word line A second transfer gate that,
A switch element for setting an initial value, which is disposed between the output side of one of the first and second inverters and a ground potential, and is conductively controlled by a reset signal;
A memory cell comprising:
前記第1、第2のビット線を制御してデータの読み出し書き込みを行う読み出し書き込み回路と、
を備え、
前記スイッチ素子にリセット信号を供給して、それぞれ導通することにより、前記メモリセルのデータラッチ回路から固定データを読み出すようにしたことを特徴とする半導体メモリ装置。 A memory cell array in which the memory cells according to claim 1 are arranged in a matrix at intersections of a plurality of word lines and a plurality of first and second bit lines, respectively.
A read / write circuit for reading and writing data by controlling the first and second bit lines;
With
A semiconductor memory device, wherein a fixed signal is read from a data latch circuit of the memory cell by supplying a reset signal to the switch element and making them conductive.
前記プログラムメモリとして機能する読み出し専用のメモリ装置と、
前記データメモリとして機能する請求項3記載の半導体メモリ装置を一部に含む、読み出し書き込み可能な半導体メモリ装置と、
を備え、
前記中央処理装置のプログラムの一部が前記半導体メモリ装置の固定データとして格納され、前記半導体メモリ装置をプログラムメモリ兼データメモリとして動的に切り替えて使用することを特徴とする半導体メモリ装置を備えたマイクロコンピュータ。 A central processing unit capable of accessing a program memory and a data memory;
A read-only memory device that functions as the program memory;
4. A readable / writable semiconductor memory device, partly including the semiconductor memory device according to claim 3, which functions as the data memory;
With
A part of a program of the central processing unit is stored as fixed data of the semiconductor memory device, and the semiconductor memory device is dynamically switched and used as a program memory and a data memory. Microcomputer.
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